उष्णतेमधील होपचे उपकरण: प्रयोग आणि कार्यपद्धती

होपचे उपकरण (Hope's Apparatus) हे पाण्याचे असंगत प्रसरण (Anomalous Expansion of Water) दर्शवण्यासाठी वापरले जाणारे एक साधन आहे. पाण्याच्या या विशेष गुणधर्मामुळे 4°C तापमानाला पाण्याची घनता सर्वाधिक असते.

१. उपकरणाची रचना (Construction of the Apparatus):

• हे उपकरण एक दंडगोलाकार धातूचे किंवा काचेचे भांडे असते, ज्याच्या मध्यभागी एक गोलाकार खळगा (trough) असतो.
• या भांड्यात पाणी भरलेले असते.
• या भांड्याच्या वरच्या भागाला आणि खालच्या भागाला प्रत्येकी एक थर्मामीटर (T1 आणि T2) बसवण्यासाठी छिद्रे असतात. T1 वरच्या बाजूला आणि T2 खालच्या बाजूला असतो.
• मध्यभागी असलेल्या खळग्यात बर्फ आणि मीठ (freezing mixture) यांचे मिश्रण भरले जाते, जे सभोवतालच्या पाण्याला थंड करते.

२. प्रयोग (Experiment):

• प्रथम होपचे उपकरण पाण्याने भरून घ्या.
• दोन थर्मामीटर (T1 आणि T2) त्यांच्या संबंधित छिद्रांमध्ये योग्यरित्या बसवा. T1 वरच्या बाजूस, तर T2 खालच्या बाजूस असेल.
• मध्यभागी असलेल्या खळग्यात बर्फ आणि मिठाचे मिश्रण (सुमारे -10°C ते -20°C तापमान) भरा.
• प्रत्येक मिनिटाला किंवा ठराविक वेळेच्या अंतराने दोन्ही थर्मामीटरवरील तापमानाची नोंद घ्या.

३. निरीक्षणे (Observations):

• सुरुवातीला, खालच्या थर्मामीटर (T2) चे तापमान वेगाने कमी होते, तर वरच्या थर्मामीटर (T1) चे तापमान हळूहळू कमी होते.
• खालच्या थर्मामीटर (T2) चे तापमान सुमारे 4°C पर्यंत पोहोचल्यानंतर ते काही काळ स्थिर राहते.
• याच दरम्यान, वरच्या थर्मामीटर (T1) चे तापमान हळूहळू कमी होऊ लागते.
• जेव्हा खालच्या थर्मामीटरचे तापमान 4°C ला स्थिर होते, त्यानंतर वरच्या थर्मामीटर (T1) चे तापमान वेगाने घटू लागते आणि 0°C पर्यंत पोहोचते.
• शेवटी, दोन्ही थर्मामीटरचे तापमान 0°C पर्यंत खाली येते.

४. कार्यपद्धती आणि स्पष्टीकरण (Working Principle and Explanation):

या प्रयोगातील निरीक्षणे पाण्याचे असंगत प्रसरण स्पष्ट करतात:

• जेव्हा बर्फ-मिठाचे मिश्रण मध्यभागी ठेवले जाते, तेव्हा ते भांड्यातील पाणी थंड करण्यास सुरुवात करते.
• पाण्याचे तापमान साधारण खोलीच्या तापमानापासून (उदा. 20°C) 4°C पर्यंत कमी होते, तेव्हा पाण्याची घनता वाढते.
• जास्त घनतेचे पाणी खाली जाते, त्यामुळे खालच्या भागातील पाण्याचे तापमान कमी होते आणि T2 थर्मामीटरचे तापमान वेगाने खाली येते.
• जेव्हा खालच्या भागातील सर्व पाण्याचे तापमान 4°C पर्यंत येते (पाण्याची सर्वाधिक घनता), तेव्हा ते पाणी आणखी खाली जात नाही.
• आता, मध्यभागी असलेले पाणी 4°C पेक्षा कमी तापमानाला थंड होऊ लागते (उदा. 4°C ते 0°C). या तापमानात पाण्याची घनता कमी होते (असंगत प्रसरण).
• कमी घनतेचे पाणी हलके असल्यामुळे ते वरच्या दिशेने सरकते, ज्यामुळे वरच्या भागातील पाण्याचे तापमान कमी होते आणि T1 थर्मामीटरचे तापमान वेगाने खाली येते.
• यामुळेच प्रथम T2 4°C पर्यंत पोहोचतो आणि नंतर T1 0°C पर्यंत खाली येतो.

या प्रयोगातून हे सिद्ध होते की पाण्याचे तापमान 4°C पेक्षा कमी झाल्यावर त्याची घनता कमी होते आणि ते हलके होते, ज्यामुळे ते वरच्या दिशेने जाते. हा पाण्याचा असंगत प्रसरणाचा गुणधर्म जलचरांना थंडीत जगण्यास मदत करतो, कारण तलावाच्या तळाशी 4°C तापमान असलेले पाणी राहते आणि वर बर्फाचा थर तयार होतो.

संदर्भ:

आपण NCERT किंवा महाराष्ट्र राज्य पाठ्यपुस्तक मंडळाच्या इयत्ता ९वी किंवा १०वीच्या विज्ञान पाठ्यपुस्तकात 'उष्णता' या प्रकरणात याविषयी अधिक माहिती मिळवू शकता.